Игорь Акимушкин - Патенты подводного царства
Обзор книги Игорь Акимушкин - Патенты подводного царства
Игорь Иванович Акимушкин
кандидат биологических наук
Патенты подводного царства
Небольшое введение
Откуда произошла бионика? Какая биологическая конструкция, заимствованная инженерами у природы, положила начало построению приборов-аналогов? Говорят, гидрофон, копирующий ухо тюленя, был первым кирпичиком, заложенным в фундамент новой науки. Старые гидрофоны, которыми выслушивали морские глубины корабли-охотники за подводными лодками, работали только в том случае, если корабль стоял. Когда же он двигался, то шум обтекавшей гидрофон воды заглушал гул винтов подводной лодки. А вот тюлень хорошо слышит на полном ходу! Строение его уха и послужило моделью для новой, более совершенной конструкции гидрофонов.
Другие утверждают, что бионика родилась гораздо раньше: изучение особенностей устройства стрекозиного крыла помогло авиастроителям победить опасную вибрацию крыльев воздушных кораблей.
А я готов утверждать, что еще Аристотель, большой знаток зоологии, заложил основы бионики. Попытка эвристического моделирования сделана им почти две с половиной тысячи лет назад: великий грек описал модель человеческого мозга.
Две тысячи лет спустя Рене Декарта тоже увлекла идея моделирования мозга. А Леонардо да Винчи мечтал построить копирующий птицу летательный аппарат (и до него и после него не один Икар пробовал оторваться от земли на машущих крыльях).
Давно, очень давно, люди пытались проникнуть в тайны природных конструкций. Не так уж и важно, кто был из них первым. Важно, что их труды и идеи не пропали даром и что новая наука бионика, рожденная на основе этих идей и накопленного опыта, сейчас успешно развивается.
Два секрета дельфинов
Какие природные конструкции, какие органы обитателей моря могут дать новые идеи инженерам?
Сейчас много говорят о дельфинах. Разносторонние способности этих животных поистине феноменальны. Их изучают теперь и анатомы, и психологи, и лингвисты, и физики, и кораблестроители.
Последних привлекает кожа дельфинов. Точнее: способность дельфинов быстро плавать, чем обязаны они, кроме всего прочего, особому устройству своей кожи, которая является гидрофобной, то есть не терпит воды, отталкивает ее, не смачивается. Все дело в смазке, которую выделяют кожные железы.
Позади всякого тела, плывущего в воде, возникают вихревые водовороты, а вместе с ними — пониженное давление, которое как бы тянет это тело назад, тормозит его. Кожа дельфинов устроена так, что гасит тормозящие вихри. Она волнообразно-подвижна и упруга, пронизана сложной системой сообщающихся полостей, заполненных жидким жиром, который, перетекая под давлением воды из полости в полость, как поршневой амортизатор, гасит энергию водяных вихрей.
Это свойство было использовано конструкторами торпед, которые обтянули смертоносные снаряды резиной «ламинфло», копирующей в главных деталях кожу дельфина.
Но еще раньше ученые разгадали другой секрет дельфинов: ультразвуковой сонар, акустический локатор — приспособление в высшей степени уникальное.
Дельфины очень «болтливы». Ни минуты не помолчат. Большая часть их криков составляет разговорный, так сказать, лексикон, в данном случае он нас не интересует. Другие же явно обслуживают сонары.
Дельфин афалина свистит, щелкает, хрюкает, лает, визжит на разные голоса в диапазоне частот от ста пятидесяти до ста пятидесяти пяти тысяч герц. Но когда он и «молча» плывет, его сонар постоянно ощупывает окрестности серией быстрых криков, или, как их еще называют, клаков, которые длятся не больше нескольких миллисекунд и повторяются обычно пятнадцать — двадцать раз в секунду. А иногда и сотни раз!
Малейший всплеск на поверхности — и дельфин сейчас же учащает свои крики, «ощупывая» ими погружающийся предмет. Эхолокатор дельфина настолько чувствителен, что даже маленькая дробинка, осторожно опущенная в воду, не ускользнет от его внимания. Рыба, брошенная в водоем, обнаруживается немедленно. Дельфин пускается в погоню. Не видя в мутной воде добычу, безошибочно преследует ее. Вслед за рыбой точно меняет курс. Прислушиваясь к эху своего голоса, дельфин слегка наклоняет голову то в одну, то в другую сторону, как и человек, пытающийся точнее установить направление звуков.
Если опустить в небольшой бассейн несколько десятков вертикальных стержней, дельфин быстро плывет между ними, не задевая их. Однако крупноячеистые сети он, по-видимому, не может обнаружить своим эхолокатором. Мелкоячеистые «нащупывает» легко.
Дело здесь, видимо, в том, что крупные ячеи слишком «прозрачны» для звука, а мелкие отражают его, почти как сплошная преграда.
Вильям Шевилл и Барабара Лоренс-Шевилл, научные сотрудники Вудсхольского Океанографического института, серией интересных опытов показали, насколько тонкое у дельфина акустическое «осязание».
Дельфин плавал в небольшой, отгороженной от моря бухточке. И все время «поскрипывал». А иногда гидрофон дико скрежетал от слишком быстрых, скороговоркой произнесенных звуков. Случалось это тогда, когда в воду бросали кусочки рыбы. Не просто бросали, а тихонько, без всякого всплеска, укладывали на дно. Но от дельфина трудно было утаить самое бесшумное подбрасывание пищи в пруд, даже если он плавал на другом его конце, за двадцать метров от места «диверсии». А вода в этой луже была такая мутная, что когда погружали в нее на полметра металлическую пластинку, та словно растворялась: даже самый зоркий человек не мог ее увидеть.
Экспериментаторы опускали в воду маленьких рыбешек длиной около пятнадцати сантиметров. Дельфин моментально засекал рыбку эхолокатором, хотя она едва была погружена: человек держал ее за хвост.
Считают, что клаки служат дельфину для ближней ориентировки. Общая разведка местности и ощупывание более удаленных предметов производится свистом. И свист этот частотно модулирован! Но в отличие от такого же типа сонаров летучих мышей начинается он более низкими нотами, а заканчивается высокими.
Другие киты — кашалоты, финвалы, белухи тоже, по-видимому, ориентируются с помощью ультразвуков. Вот только ученые не знают еще, чем они их издают, эти звуки. Одни исследователи думают, что дыхалом, то есть ноздрей и воздухоносными мешками дыхательного канала, другие — что горлом. Хотя настоящих голосовых связок у китов и нет, но их с успехом могут заменить (так некоторые считают) особые наросты на внутренних стенках гортани.
А может быть, и дыхало, и гортань в равной мере обслуживают передающую систему сонара.
Эхолотирующие крики
После полудня 7 марта 1949 года исследовательское судно «Атлантик» прослушивало море в ста семидесяти милях к северу от Пуэрто-Рико. Внизу под кораблем были огромные глубины. Пятикилометровые толщи соленой воды наполняли гигантскую впадину в земле.
И вот из этой бездны донеслись громкие крики. Один крик, потом его эхо. Еще крик и опять эхо. Много криков подряд с промежутком примерно в полторы секунды. Каждый длился около трети секунды, и высота его тона была пятьсот герц.
Тут же подсчитали, что неведомое существо упражнялось в вокальных соло на глубине примерно трех с половиной километров. Эхо его голоса отражалось от морского дна и потому добегало до приборов корабля с некоторым запозданием.
Поскольку киты не ныряют так глубоко, а раки и крабы не производят столь громких звуков, биологи решили, что в бездне кричала какая-то рыба, звуком зондируя океан. Измеряла, попросту говоря, его глубину. Изучала местность, рельеф дна.
Идея эта теперь мало кому кажется невероятной. Ибо уже точно установлено, что рыбы, которых долго считали немыми, издают тысячи всевозможных звуков, ударяя особыми мышцами по плавательным пузырям, как по барабану. Другие скрежещут зубами, щелкают костяшками своей брони. Многие из этих тресков, скрипов и писков звучат в ультракоротком диапазоне и служат, по-видимому, для эхолокации и ориентировки в пространстве. Значит, как и у дельфинов, у рыб тоже есть свои сонары. Они еще совсем не изучены. Некоторые исследователи, правда, уже сейчас полагают, что рыбы не способны к эхолокации и сонаров у них нет. Но будущее покажет, так ли это.
От инфразвука до инфрасвета
Тридцать лет назад академик В. В. Шулейкин впервые «услышал» и описал «голос моря». Когда над морем сильно дует ветер, то он срывает с гребней волн не только брызги и пену, но и… инфразвуки. Они быстро бегут во все стороны и предупреждают всех обитателей моря, которые их слышат, о приближении шторма.
Дельфины слышат «голос моря» и спешат уплыть подальше от берегов и скал.
И медуза его слышит: звуковые инфраволны частотой в 8–13 герц ударяют в малюсенькие камешки, которые плавают в «ухе» медузы — крошечном шарике на тонком стебельке. Камешки трутся о нервные рецепторы в стенках «шарика», и медуза слышит грозный рокот приближающегося шторма.
